การเชื่อมด้วยการนำความร้อนและการเชื่อมแบบเจาะลึก

1. ความหมายและลักษณะการเชื่อมการนำความร้อนด้วยเลเซอร์

การเชื่อมด้วยการนำความร้อนด้วยเลเซอร์เป็นวิธีการหนึ่ง การเชื่อมด้วยเลเซอร์- โหมดการเชื่อมนี้มีความลึกในการเจาะตื้นและมีอัตราส่วนความลึกต่อความกว้างเล็กน้อย เมื่อความหนาแน่นของพลังงานน้อยกว่า 10^4~10^5 W/cm2 จะถูกจัดประเภทเป็นการเชื่อมแบบการนำไฟฟ้า ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือความลึกของฟิวชั่นตื้น และความเร็วในการเชื่อมช้าลง

ในระหว่างการเชื่อมด้วยการนำความร้อน พลังงานรังสีเลเซอร์จะกระทำบนพื้นผิวของวัสดุ และพลังงานรังสีเลเซอร์จะถูกแปลงเป็นความร้อนบนพื้นผิว ความร้อนที่พื้นผิวจะแพร่กระจายไปยังภายในผ่านการนำความร้อน ทำให้วัสดุละลายและก่อตัวเป็นแอ่งหลอมเหลว ในพื้นที่เชื่อมโยงระหว่างวัสดุทั้งสอง สระหลอมเหลวเคลื่อนที่ไปข้างหน้าพร้อมกับลำแสงเลเซอร์ และโลหะหลอมเหลวในสระหลอมเหลวจะไม่เคลื่อนที่ไปข้างหน้า เมื่อลำแสงเลเซอร์เคลื่อนที่ไปข้างหน้า โลหะหลอมเหลวในสระหลอมเหลวจะแข็งตัวขึ้นรูป การเชื่อมระหว่างวัสดุทั้งสองชิ้น

พลังงานรังสีเลเซอร์ทำหน้าที่เฉพาะบนพื้นผิวของวัสดุเท่านั้น และการหลอมของวัสดุที่อยู่ด้านล่างจะดำเนินการโดยการนำความร้อน หลังจากที่พลังงานเลเซอร์ถูกดูดซับโดยชั้นบาง ๆ ขนาด 10~100 นาโนเมตรบนพื้นผิวและหลอมละลาย อุณหภูมิพื้นผิวจะยังคงอยู่ต่อไป เพิ่มขึ้นส่งผลให้ไอโซเทอร์มของอุณหภูมิหลอมเหลวแพร่กระจายลึกเข้าไปในวัสดุ อุณหภูมิพื้นผิวสูงสุดสามารถเข้าถึงได้เฉพาะอุณหภูมิการกลายเป็นไอ ดังนั้น ความลึกของการหลอมเหลวที่สามารถทำได้ด้วยวิธีนี้จึงถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิการกลายเป็นไอและการนำความร้อน ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการเชื่อมชิ้นส่วนบาง (ประมาณ 1 มม.) และชิ้นส่วนขนาดเล็ก

ความหนาแน่นของพลังงานของลำแสงที่ใช้ในการเชื่อมต่ำ หลังจากที่ชิ้นงานดูดซับเลเซอร์แล้ว อุณหภูมิจะต้องถึงจุดหลอมเหลวที่พื้นผิวเท่านั้น จากนั้นความร้อนจะถูกถ่ายโอนไปยังด้านในของชิ้นงานเพื่อสร้างสระหลอมเหลวโดยการนำความร้อน จึงประหยัด นอกจากนี้ ตะเข็บเชื่อมยังมี เรียบเนียนและไม่มีรูพรุน และสามารถใช้สำหรับการเชื่อมชิ้นส่วนที่มีลักษณะภายนอกได้

การใช้งานทั่วไป ได้แก่ การเชื่อมอ่างล้างจานสแตนเลส เครื่องเป่าลมโลหะ การเชื่อมข้อต่อท่อโลหะ ฯลฯ

2. ความหมายและลักษณะการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์

เมื่อความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 10^5~10^7 W/cm2 พื้นผิวโลหะจะเว้าเป็น "รู" เนื่องจากความร้อน ทำให้เกิดการเชื่อมแบบเจาะลึก ซึ่งมีลักษณะของความเร็วในการเชื่อมที่รวดเร็วและอัตราส่วนภาพขนาดใหญ่

กระบวนการทางกายภาพทางโลหะวิทยาของการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบเจาะลึกนั้นคล้ายกับการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอนมาก นั่นคือกลไกการแปลงพลังงานเสร็จสมบูรณ์ผ่านโครงสร้าง "รูเล็ก" ภายใต้การฉายรังสีด้วยลำแสงความหนาแน่นของพลังงานสูงเพียงพอ วัสดุจะระเหยไปเป็น ก่อตัวเป็นรูเล็ก ๆ รูเล็ก ๆ นี้เต็มไปด้วยไอน้ำเปรียบเสมือนวัตถุสีดำดูดซับพลังงานของแสงที่ตกกระทบเกือบทั้งหมดและอุณหภูมิสมดุลในรูนั้นสูงถึงประมาณ 25,000 องศา ความร้อนถูกถ่ายเทจากผนังด้านนอกของอุณหภูมิสูงนี้ โพรงทำให้โลหะที่อยู่รอบ ๆ โพรงหลอมละลาย รูเล็ก ๆ เต็มไปด้วยไอน้ำอุณหภูมิสูงที่เกิดจากการระเหยของวัสดุผนังอย่างต่อเนื่องภายใต้การฉายรังสีของลำแสง ผนังของรูเล็ก ๆ ล้อมรอบด้วยโลหะหลอมเหลว และโลหะเหลวถูกล้อมรอบด้วยวัสดุแข็ง การไหลของของเหลวนอกผนังรูและแรงตึงผิวของชั้นผนังอยู่ในเฟสกับแรงดันไอน้ำที่สร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องในช่องรู และรักษาสมดุลแบบไดนามิก ลำแสงเข้าสู่รูเล็ก ๆ อย่างต่อเนื่อง และวัสดุที่อยู่นอกรูเล็ก ๆ ก็ไหลอย่างต่อเนื่อง เมื่อลำแสงเคลื่อนที่ รูเล็กๆ จะอยู่ในสถานะการไหลที่มั่นคงเสมอ กล่าวคือ รูเล็กๆ และโลหะหลอมเหลวที่อยู่รอบๆ ผนังของรูจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็วไปข้างหน้าของลำแสงนำร่อง โลหะหลอมเหลวจะเติมช่องว่างที่เหลือหลังจากที่รูเล็ก ๆ ถูกเอาออกและควบแน่นตามนั้น และเกิดการเชื่อมขึ้น ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นเร็วมากจนความเร็วในการเชื่อมสามารถเข้าถึงหลายเมตรต่อนาทีได้อย่างง่ายดาย

การเชื่อมวัสดุแบบเจาะลึกต้องใช้พลังงานเลเซอร์ที่สูงมาก แตกต่างจากการเชื่อมแบบนำความร้อน การเชื่อมแบบเจาะลึกไม่เพียงแต่ทำให้โลหะละลาย แต่ยังทำให้โลหะกลายเป็นไอ โลหะหลอมเหลวจะถูกปล่อยออกมาภายใต้แรงกดดันของไอโลหะเพื่อสร้างรูเล็กๆ ลำแสงเลเซอร์ยังคงส่องสว่างส่วนล่างของรู ทำให้รูขยายออกจนกว่าความดันไอภายในรูจะสมดุลกับแรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วงของโลหะเหลว หลังจากการเชื่อมแบบเจาะลึก จะเกิดรอยเชื่อมที่แคบและสม่ำเสมอ และความลึกโดยทั่วไปจะมากกว่าความกว้างของการเชื่อม กระบวนการนี้มีลักษณะของความเร็วในการประมวลผลที่รวดเร็วและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนขนาดเล็ก ดังนั้นการเปลี่ยนรูปของวัสดุจึงมีน้อย

การใช้งานทั่วไปคือการเชื่อมแผ่นเหล็กหนา (10-25 มม.) และการเชื่อมเปลือกอะลูมิเนียมสำหรับแบตเตอรี่สำรอง

3.ลักษณะของการเชื่อมแบบเจาะลึกด้วยเลเซอร์

อัตราส่วนภาพสูง เนื่องจากโลหะหลอมเหลวก่อตัวรอบๆ ห้องทรงกระบอกที่มีไออุณหภูมิสูงและขยายไปยังชิ้นงาน การเชื่อมจึงลึกและแคบ

อินพุตความร้อนขั้นต่ำ เนื่องจากอุณหภูมิภายในรูเล็กสูงมาก กระบวนการหลอมจึงเกิดขึ้นเร็วมาก ความร้อนที่ป้อนเข้าสู่ชิ้นงานต่ำมาก และการเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อนและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนมีน้อย

ความหนาแน่นสูง เนื่องจากรูเล็กๆ ที่เต็มไปด้วยไออุณหภูมิสูงเอื้อต่อการกวนของสระเชื่อมและการหลบหนีของก๊าซ ส่งผลให้มีการเชื่อมทะลุโดยไม่มีรูพรุน อัตราการเย็นตัวสูงหลังการเชื่อมทำให้โครงสร้างการเชื่อมปรับแต่งได้ง่าย

รอยเชื่อมที่แข็งแกร่ง เนื่องจากแหล่งความร้อนร้อนและการดูดซับส่วนประกอบที่ไม่ใช่โลหะได้เต็มที่ ปริมาณสิ่งเจือปนจึงลดลง ขนาดการรวมและการกระจายตัวในสระหลอมเหลวจึงเปลี่ยนไป กระบวนการเชื่อมไม่จำเป็นต้องใช้อิเล็กโทรดหรือสายตัวเติม และบริเวณที่หลอมละลาย มีการปนเปื้อนน้อยกว่า ทำให้ความแข็งแรงและความเหนียวของการเชื่อมเท่ากับหรือมากกว่าโลหะต้นกำเนิดเป็นอย่างน้อย

การควบคุมที่แม่นยำ เนื่องจากจุดไฟที่โฟกัสมีขนาดเล็ก รอยเชื่อมจึงสามารถวางตำแหน่งได้ด้วยความแม่นยำสูง เอาต์พุตเลเซอร์ไม่มี "ความเฉื่อย" และสามารถหยุดและเริ่มต้นใหม่ได้ด้วยความเร็วสูง ชิ้นงานที่ซับซ้อนสามารถเชื่อมได้โดยใช้เทคโนโลยีการเคลื่อนที่ด้วยลำแสง CNC

กระบวนการเชื่อมในบรรยากาศแบบไม่สัมผัสเนื่องจากพลังงานมาจากลำแสงโฟตอนและไม่มีการสัมผัสทางกายภาพกับชิ้นงาน จึงไม่เกิดแรงภายนอกกับชิ้นงาน นอกจากนี้แม่เหล็กและอากาศไม่มีผลกระทบต่อแสงเลเซอร์

ข้อดีของการเชื่อมด้วยเลเซอร์เจาะลึก:

1）เนื่องจากเลเซอร์โฟกัสมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าวิธีการทั่วไปมาก จึงส่งผลให้มีความเร็วในการเชื่อมที่รวดเร็ว พื้นที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนเล็กน้อย และการเสียรูปเล็กน้อย และยังสามารถเชื่อมวัสดุที่เชื่อมยาก เช่น ไทเทเนียม
2）เนื่องจากลำแสงนั้นง่ายต่อการส่งและควบคุม จึงไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนปืนเชื่อมและหัวฉีดบ่อยครั้ง และไม่จำเป็นต้องมีสุญญากาศสำหรับการเชื่อมลำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งช่วยลดเวลาหยุดทำงานและเวลาเสริมได้อย่างมาก ดังนั้นปัจจัยโหลดและประสิทธิภาพการผลิต อยู่ในระดับสูง
3) เนื่องจากผลการทำให้บริสุทธิ์และอัตราการเย็นตัวสูง รอยเชื่อมจึงมีความแข็งแรง ความเหนียว และประสิทธิภาพโดยรวมสูง
4) เนื่องจากอินพุตความร้อนเฉลี่ยต่ำและความแม่นยำในการประมวลผลสูง ต้นทุนการประมวลผลซ้ำจึงสามารถลดลงได้ นอกจากนี้ต้นทุนการดำเนินงานการเชื่อมด้วยเลเซอร์ยังต่ำ ซึ่งสามารถลดต้นทุนการประมวลผลชิ้นงานได้
5) สามารถควบคุมความเข้มของลำแสงและการวางตำแหน่งได้อย่างมีประสิทธิภาพและง่ายต่อการรับรู้การทำงานอัตโนมัติ

ข้อเสียของการเชื่อมด้วยเลเซอร์เจาะลึก：

1) ความลึกในการเชื่อมมีจำกัด

2）การประกอบชิ้นงานต้องมีข้อกำหนดสูง

3) การลงทุนเพียงครั้งเดียวในระบบเลเซอร์ค่อนข้างสูง